高中 | 气体的等温变化 题目答案及解析

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选修3-3

第八章 气体

8.1 气体的等温变化

气体的等温变化

如图所示,$U$形管竖直放置,右管横截面积为左管的$4$倍,左端封闭,右端开口。管内水银在左管封闭一段长$72\;\rm cm$、温度$300\;\rm K$的理想气体,左、右两管水银面高度差为$10\;\rm cm$,大气压强为$75\;\rm cmHg$。求:

若加热左管气体,直到$U$形管两侧水银面等高,此时气体的温度(计算结果保留一位小数);

[]
[["

若加热左管气体,直到$U$形管两侧水银面等高,此时气体的温度为$384.6\\;\\rm K$

"]]

初始状态,左管内气体压强为:$p_{1}=(75-10)\;\rm cmHg=65\;\rm cmHg$

设左管横截面积为$S$,则右管横截面积为$4S$,管内气柱长度$l_{1}=72\;\rm cm$,体积$V_{1}=l_{1}S$

当左右两管内水银面相等时,管内气体压强为$p_{2}=75\;\rm cmHg$

设左管内水银面下降$x$,右管中水银面上升$\dfrac{1}{4}x$,则

$\dfrac{1}{4}x +$$x=10\;\rm cm$

解得:$x=8\;\rm cm$

末状态,管内气柱长度为$l_{2}=80\;\rm cm$,体积为$V_{2}=l_{2}S$

由理想气体状态方程可得:$\dfrac{p_{1}V_{1}}{T_{1}} = \dfrac{p_{2}V_{2}}{T_{2}}$

代入数据:$\dfrac{65 \times 72S}{300} = \dfrac{75 \times 80S}{T_{2}}$

解得:$T_{2}=384.6\;\rm K$

若保持左管气体温度$300\;\rm K$不变,往右侧管内缓慢加入多少长度的水银,可使$U$形管两侧水银面等高。

[]
[["

若保持左管气体温度$300\\;\\rm K$不变,往右侧管内缓慢加入$22\\;\\rm cm$长度的水银,可使$U$形管两侧水银面等高

"]]

末状态时左右液面相平,管内气体压强$p_{3}=75\;\rm cmHg$

体积为$V_{3}=l_{3}S$

根据玻意耳定律可得:

$p_{1}V_{1}=p_{3}V_{3}$

代入数据:

$65\times 72S=75\times l_{3}S$

解得:$l_{3}=62.4\;\rm cm$

左边液面上升高度为:

$h_{1}=(72-62.4)\;\rm cm=9.6\;\rm cm$

右边液面下降高度为:$h_{2} = \dfrac{1}{4}h_{1} = \dfrac{1}{4} \times 9.6\;\rm cm = 2.4\;\rm cm$

右管内需要加入的水银长度$l=h_{1}+h_{2}+h$

解得:$l=22\;\rm cm$

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